喷丸颗粒分布特性优化在13号车钩上的应用研究

摘要

目前13号车钩在货用列车的车钩使用中占有较大比例。作为机械构件，车钩的故障情况时有发生，严重影响铁路的正常运输，并造成较大的经济损失，因此其维护保养工作尤为重要。然而为保证车钩检修工作地顺利进行，检修前的清理工作必不可少，它能有效地保证车钩表面质量，便于后续探伤、喷漆等工作。　　喷丸处理已在表面清理、表面强化、材料成型等工程应用中广泛使用，其中表面清理作为喷丸工艺发明以来重要的应用方向，在表面清理方式中占有不可或缺的重要位置，并已大量应用在管道、桥梁、船舶、焊口等金属构件的除锈除污工作上，保证了零件达到足够的清洁度、粗糙度等表面质量要求，因此大多采用此类方法来进行车钩检修前的表面处理工作。　　在实际的喷丸处理过程中，一般根据工件材料、附污程度、粗糙度要求等因素选定喷丸参数，以使工件获得合适的表面质量，在选定过程中还应考虑喷丸效率、能量利用率等因素，以符合实际生产要求。其中喷丸的工艺参数一般有：喷嘴类型、弹丸材料、弹丸尺寸、气源压力、喷嘴—靶材距离、喷嘴—靶材相对移动速度等，而喷丸作业最终是以弹丸撞击靶材以完成清理、强化等目的，所以颗粒在靶材上的撞击位置、分布规律等将会直接影响喷丸结果，因此保证优异的颗粒分布质量是优化喷丸过程的重要途径。　　在现有喷丸的相关研究中，喷丸的功能性研究主要围绕颗粒撞击的结果与原理，而共性研究则主要围绕喷嘴类型、喷嘴尺寸、颗粒速度等参数的选择，在各自分析的领域里寻找规律并做出优化，其中大多数的研究也仅对喷丸过程在某一阶段的状态进行分析，例如在喷嘴对颗粒的加速、颗粒对靶材的撞击、靶材强化机理等研究上，对颗粒分布的研究较少，且少有全局分析的研究，因此为了研究喷丸过程中的颗粒分布特性，提出一种Fluent与Matlab结合的方法，分析了喷嘴在连续喷打后的颗粒分布结果及规律，并优化了在实际应用时产生的问题，以提高喷丸效率与喷丸质量。　　本文的主要研究内容如下：　　1)对定点喷打过程做CFD仿真，得到不同喷嘴下的颗粒分布情况，并研究入口压力、靶材距离、喷打角度对颗粒分布的影响。　　2)对定点喷打结果进行叠加计算，得到连续平移喷打的仿真模型，对比了喷嘴匀速和变速平移情况下的颗粒分布特性，进一步分析连续喷打时不同路径间距对路径间颗粒分布的影响，并利用连续喷打的数学模型验证仿真模型中的叠加方法。　　3)在平移喷打的仿真模型基础上，添加Solidworks的API接口技术与Matlab的插值方法，应用于任意复杂曲面靶材的转动喷打模拟，并以方型柱体为例，分析转动速度对转动喷打后颗粒分布的影响，并提出变速转动喷打方式以改善颗粒分布质量。　　4)利用转动喷打模型计算13号车钩的完整喷打过程，喷嘴相对于车钩以螺旋下降的方式进行喷打，计算与分析匀速转动时的颗粒分布结果，并利用转速与颗粒分布的规律，提出13号车钩的变速转动喷打方式，优化13号车钩旋转喷打的清理过程，提高车钩喷丸的效率与质量，并根据实际喷丸工艺与车钩清理要求给出一组优化后的喷打速度。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 喷（抛）丸技术

1.1.2 喷丸技术的功能

1.1.3 喷丸设备的分类

1.1.4 喷丸处理中的重要参数

1.1.5 13 号车钩简介及其清理

1.2 国内外研究方法综述

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 研究现状分析

1.3 本文的研究内容与目标

第 2 章 定点喷丸的颗粒分布特性研究

2.1 CFD 在喷丸仿真上的应用

2.1.1 控制方程

2.1.2 数学模型

2.1.3 求解原理及方法

2.2 模型建立及求解

2.2.1 定点喷丸模型

2.2.2 边界条件

2.2.3 颗粒设定

2.2.1 Fluent 求解

2.3 仿真结果分析

2.3.1 流场及颗粒运动分析

2.3.2 喷嘴类型的影响

2.3.3 压力的影响

2.3.4 靶材距离的影响

2.3.5 喷打角度的影响

2.4 小结

第 3 章 平移喷丸的颗粒分布特性研究

3.1 连续喷丸模型的构建

3.1.1 喷嘴入口处的随机分布带来的影响

3.1.2 颗粒飞行时间带来的影响

3.1.3 颗粒位置

3.2 平面靶材的喷打结果及规律

3.2.1 喷嘴移动速度的影响

3.2.2 路径间距的影响

3.3 平移喷打的数学验证

3.4 小结

第 4 章 旋转喷丸的颗粒分布特性研究

4.1 转动喷丸模型的构建

4.1.1 颗粒映射方法

4.1.2 颗粒的表面查询方法

4.2 方型柱体的喷打情况及规律

4.3 小结

第 5 章 13 号车钩喷丸处理的颗粒分布优化

5.1 13 号车钩建模及外形描述

5.2 13 号车钩的喷打路径

5.3 13 号车钩的喷打结果及分析

5.4 13 号车钩的喷打过程的速度优化

5.4.1 速度优化方法与实现

5.4.2 GUI 的设计

5.4.3 优化过程及结果

5.5 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果